Исследование и разработка элементной базы цифровых устройств обработки информации на основе принципа термодинамической обратимости

• Автор: Лосев, Владимир Вячеславович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Глава 1. ОБЗОР И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ АДИАБАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПРОИЗВОДСТВА ИНФОРМАЦИИ

1.1 Теоретические предпосылки

1.2 Асимптотически бездиссипативная логика.

1.3 Квазиадиабатические логические вентили статического типа.

1.4 Квазиадиабатические логические вентили динамического типа

1.5 Классификация адиабатических базовых логических вентилей.

1.6 Квазиадиабатические источники питания драйверы шин питания.

1.7 Классификация адиабатических драйверов шин питания.

1.8. Выводы и постановка задачи

Глава 2. КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКИЕ БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
ВЕНТИЛИ
2.1 Исходные положения.
2.2 Компьютерное моделирование перспективных вариантов квазиадиабатических вентилей.
2.3 Методы улучшения характеристик квазиадиабатических вентилей
2.4 Выводы.
Глава 3. АСИМПТОТИЧЕСКИ АДИАБАТИЧЕСКИЕ БАЗОВЫЕ
ЛОГИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛИ.
3.1 Асимптотически адиабатическая логика с коллапсирующими и расщепленными импульсами питания.
3.2 Компьютерное моделирование базовых логических вентилей 1п1р.
3.3 Закономерности энергопотребления и методы совершенствования характеристик логики 1 п1 р.
3.4 Выводы.
Глава 4. КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКИЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ БАЗОВЫЙ
ВЕНТИЛЬ НА ОСНОВЕ пКАНАЛЬНЫХ МОПТРАНЗИСТОРОВ КАДЛп.
4.1 Принципы функционирования вентиля КЛДЛп.
4.2 Энергетическая эффективность вентиля КАДЛп
4.3 Компьютерное моделирование цепи КАДЛп вентилей
4.4 Выводы.
Глава 5. АДИАБАТИЧЕСКИЕ ДРАЙВЕРЫ СО СТУПЕНЧАТЫМ
ПЕРЕЗАРЯДОМ НАГРУЗОЧНОЙ ЕМКОСТИ.
5.1 Способы построения
5.2 Управление ключами
5.3 Входные емкости ключей
5.4 Энергетическая эффективность драйвера.
5.5 Зависимость основных характеристик драйвера от тактовой частоты и свойств ключей.
5.6 Результаты компьютерного моделирования
5.7 Выводы
Глава 6 АДИАБАТИЧЕСКИЙ ДРАЙВЕР НА ОСНОВЕ КОЛЬЦЕВОГО
ГЕНЕРАТОРА
6.1 Импульсная подкачка энергии в ЬСконтур.
6.2 Четырехфазный адиабатический драйвер на основе кольцевого
генератора.
6.3. Методика проектирования драйвера.
6.4 Функциональная идеализированная модель системы авторегулирования 1 подкачки мощности.
6.5 Поведенческое моделирование четырехфазного адиабатического
драйвера.
6.6 Выводы
ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Для вентилей, способных управлять собственными аналогами, требуется совершение работы » кТ []. Термодинамическая обратимость вентиля обеспечивается его переключением в условиях термодинамического равновесия [2,5,8,,]. Это условие требует достаточно медленного воздействия обобщенной силы на обобщенную пружину. При соблюдении этих условий диссипация энергии может быть сколь угодно малой. Алгоритм реализации универсального адиабатического компьютера на примере машины Тьюринга описан в [2]. Процедура возврата затраченной на вычисления энергии в источник питания состоит в выполнении вычислений до тех пор, пока промежуточные результаты могут быть сохранены, после чего эти результаты запоминаются. Затем вычисления производятся в обратном порядке и сопровождаются уничтожением промежуточных результатов. Процедура упрощается, если вентили обладают свойством логической реверсивности, т. В таких устройствах работа, затраченная на вычисления, может быть возвращена в источник питания без запоминания промежуточных результатов. Примером логически реверсивных вентилей являются элементы Фредкина-Тоффоли []. Практический интерес представляет реализация адиабатической логики на основе традиционного элементного базиса. При этом обобщенной пружиной является нагрузочная емкость вентиля, ключами — транзисторы, каналами связи — проводники, а обобщенными координатами, кодирующими логические состояния вентиля, — напряжение V и заряд ? А). Транзисторы должны отпираться только при нулевом напряжении между токоведущими электродами. Нарушение этого требования ведет к термализации энергии, накопленной в емкости к момен ту отпирания транзистора. Б). Гальваническая связь емкости с питающим напряжением никогда не должна быть разорвана. Требование Б нарушается в динамических вентилях, в которых обобщенная пружина может быть отключена от контролирующих воздействий. В электронной логике это соответствуег хранению заряда, кодирующего логическое состояние, на “плавающем” электроде специальной или паразитной емкости. А, что приводит к диссипациии накопленной в емкости энергии. Очевидным требованием является также отсутствие энергопотребления в статическом состоянии. Сформулированные условия термодинамической обратимости никогда не могут быть выполнены полностью, поэтому создание полностью адиабатической логики невозможно. По степени адиабатичности можно выделить 4 группы логики, в которой исключено статическое энергопотребление. Первую группу составляет асимптотически бездиссипативная логика, в которой термализация энергии происходит только за счет конечной скорости изменения питающих напряжений и в пределе может быть сколь угодно малой. Мы припишем такой логике высшую степень адиабатичности 3. Использование управляемого медленно изменяемого питающего напряжения может существенно снизить энергетические затраты даже в том случае, когда выполнены не все необходимые условия полной термодинамической обратимости. Такую логику мы будем называть квазиадиабатической. Ко второй группе (степень адиабатичности 2) относится логика, в которой одно из логических состояний (0 или 1) обобщенной пружины (нагрузочной емкости) совпадает со свободным состоянием Я, и входная информация не сохраняется до конца цикла (нарушаются условия 1 - 3 и, как следствие, требования А, Б). При этом за цикл выполнения вентилем логической операции терматизуется энергия -С)7/, где V' — абсолютные значения напряжений отпирания транзисторов (для МОП транзисторов — пороговые напряжения). В логических вентилях третьей группы (степень адиабатичности 1) заряд емкости источником питания осуществляется через выпрямляющий элемент (диод), имеющий пороговое напряжение отпирания У/0. При этом также нарушаются условия 1 - 3 и требования А, Б, а минимальная термализованная за цикл энергия пропорциональна СУ^У{0, где Ум — амплитуда питающего напряжения. Наконец, четвертую группу составляют традиционная КМОП (или ей подобная) логика с постоянным напряжением питания. За цикл в вентиле терматизуется энергия ~ СУ^ (степень адиабатичности 0).